Prévention de la réaction alcali-silice

La réaction alcali-silice (RAS) est une réaction chimique dans laquelle les alcalis présents dans le béton réagissent avec la silice réactive des granulats. Cela crée ce que l’on appelle le gel de silice, qui se dilate lorsque l’humidité est absorbée et peut provoquer des fissures nuisibles dans le béton. Dans cet article, nous examinons les mesures permettant d’éviter ces réactions nuisibles dans les produits structurels en béton préfabriqué et les réglementations techniques en la matière. Les normes et les spécifications de type des régions peuvent contenir des exigences différentes qui ne sont pas abordées dans cet article.

Qu’est-ce que la réaction alcali-silice ?

Les RAS nuisibles ne peuvent se produire que si les trois conditions suivantes sont réunies simultanément : le béton doit contenir suffisamment d’alcalis, les granulats doivent contenir suffisamment de silice réactive et le béton doit être suffisamment humide. Dans le béton, les alcalis sont principalement constitués de sodium et de potassium et se trouvent surtout dans les liants, mais aussi dans les granulats, les adjuvants et les fillers. Ces éléments peuvent également pénétrer dans le béton depuis l’extérieur, par exemple lorsqu’ils sont en contact avec des sels de déverglaçage ou lorsqu’ils sont exposés à l’eau de mer, à l’air marin ou à des engrais. Lorsque le béton entre en contact avec des substances “agressives”, on ne sait pas toujours exactement quels éléments chimiques de ces substances sont responsables de l’attaque du béton. Une certaine prudence est alors de mise. Il est d’usage d’exprimer la teneur en alcalis du béton et de ses constituants en équivalent Na₂O (appelé équivalent sodium), exprimé comme la teneur en oxyde de sodium (Na₂O) + 0,658 fois la teneur en oxyde de potassium (K₂O), où 0,658 n’est rien d’autre que le rapport entre le poids moléculaire de l’oxyde de sodium et celui de l’oxyde de potassium ⁽¹⁾.

La grande partie des granulats utilisés pour le béton sont des roches. De nombreux minéraux qui composent les roches sont des composés chimiques contenant du dioxyde de silicium (SiO2), ou silice en abrégé. Ces composés peuvent réagir plus ou moins fortement avec les alcalis. La réactivité de la silice n’est pas encore totalement comprise, mais les scientifiques se basent principalement sur sa structure cristalline. Plus elle est ordonnée, plus la réactivité est faible ⁽¹⁾. Toutefois, des roches non réactives dans certaines régions du monde peuvent être réactives dans d’autres. L’évaluation pétrographique des agrégats ne suffit généralement pas à les classer comme inoffensifs ou potentiellement réactifs. Des méthodes complémentaires doi­vent alors être utilisées pour identifier les formes réactives de silice ⁽²⁾. La méthode la plus évidente consiste à composer du béton ou du mortier avec la roche étudiée, puis à l’exposer à des conditions favorables à la RAS afin de déterminer si celle-ci se manifeste. Outre les alcalis et la silice réactive, l’eau joue également un rôle dans la RAS. Ce n’est qu’en présence d’une quantité suffisante d’eau que le gel de silice peut se former. Il peut s’agir d’eau pénétrant dans la structure en béton depuis l’extérieur, mais aussi d’eau interstitielle des pores. Toutefois, cela nécessite une grande quantité d’eau interstitielle des pores, qui n’est généralement présente en quantité suffisante que dans les structures massives ⁽¹⁾. De l’eau non hydratée peut rester dans une structure si celle-ci a une épaisseur supérieure à 50 cm et est exposée d’un seul côté ou si elle a une épaisseur supérieure à 100 cm et est exposée sur deux côtés ⁽³⁾. Aux Pays-Bas, il est conseillé de toujours supposer que les structures d’une épaisseur supérieure à 100 cm sont exposées à un environnement humide ⁽¹⁾.

Prescriptions relatives à la préfabrication

Pour les produits préfabriqués structurels en béton, la norme européenne NBN EN 13369 ⁽⁴⁾ et son supplément national, NBN B 21-600 ⁽⁵⁾, renvoient à une édition précédente de la norme européenne pour le béton ⁽⁶⁾ et à son supplément national ⁽⁷⁾ pour la résistance à la RAS. Il n’est pas réaliste de viser des spécifications entièrement harmonisées pour éviter la RAS. Par conséquent les mesures de précaution en [6] renvoient au rapport CR 1901 du CEN ⁽⁸⁾, qui énumère quatre mesures pour la Belgique :

1 la limitation de la teneur en alcali du béton ;

2 l’utilisation d’un ciment à faible teneur en alcalis ;

3 le changement des granulats ;

4 la limitation de la saturation en eau du béton.

Au moins une de ces mesures doit être prise. Dans [7], les mêmes mesures sont données, mais le changement de granulats a été remplacé par l’utilisation de granulats non réactifs. Si l’on choisit de limiter la teneur en alcalis du béton, [8] donne les valeurs limites reproduites dans le tableau 1. Les mesures ne sont pas expliquées plus en détail dans [7] et [8].

Le Règlement d’application général pour la certification BENOR des produits structuraux [9] comprend des dispositions qui donnent plus de détails à celles de [7]. La réactivité potentielle des agrégats, le cas échéant, doit être vérifiée en effectuant un essai de gonflement, par analyse pétrographique ou sur la base de la teneur en silice réactive. Si le choix est fait de limiter la teneur en alcalis du béton fabriqué avec du ciment Portland (CEM I), la teneur en alcalis est déterminée en établissant le bilan alcalin sur la base du dosage des constituants et de la teneur en alcalis déclarée (pour les ciments et les adjuvants), mesurée (pour l’eau de gâchage et les granulats) ou forfaitaire (pour les granulats) des constituants. La détermination de la teneur en alcalis solubles des granulats doit être effectuée selon la méthode LPC n° 37 ⁽¹⁰⁾. En l’absence de valeurs expérimentales, pour l’établissement du bilan alcalin, la teneur en alcalis solubles des granulats courants peut être fixée forfaitairement à 0,01 % et celle des granulats marins à 0,03 %. La teneur en alcalis de l’eau des granulats peut conventionnellement être fixée au même niveau que celle de l’eau de gâchage. La valeur limite de la teneur en alcalis dépend de la connaissance ou non du coefficient de variation V_c ( = écart-type divisé par la moyenne) de la teneur totale en alcalis du ciment utilisé, au cours de l’année écoulée ⁽⁹⁾ :

• V_cconnu :     3,5      kg/m³                         1+2 V_c
• V_cpas connu: 3,0 kg/m³

Nouvelle norme pour le béton :

Depuis la version 2013 de la norme européenne pour le béton, une annexe informative fait référence à la norme CEN/TR 16349 ⁽¹¹⁾. Elle définit les catégories environnementales suivantes pour lesquelles des mesures de précaution doivent être définies au niveau national :

–  E1 : le béton est protégé de l’humidité extérieure ;

–  E2 : le béton est exposé à l’humidité extérieure ;

–  E3 : le béton est exposé à l’humidité extérieure et à d’autres facteurs aggravants, tels que les sels de déverglaçage, les cycles de gel et de dégel, l’alternance d’humidité et de sécheresse dans les environnements marins, les charges variables ou les températures élevées prolongées.

En complément de [7], l’utilisation de laitier moulu de haut fourneau, de cendres volantes, de fumée de silice ou d’autres pouzzolanes (dans le ciment ou en tant qu’additif) est mentionnée comme une mesure efficace. Mais l’évaluation de l’adéquation d’un mélange de béton par un test de performance est également une mesure utilisée dans plusieurs pays et couverte par des dispositions nationales. L’application effective de la limitation de la teneur en alcalis du béton nécessite soit la classification de chaque constituant en termes de teneur en alcalis, soit une déclaration qualitative garantie de la teneur moyenne en alcalis de chaque constituant et de sa variabilité. Si le béton est exposé à des sels de déverglaçage, la contribution de ces sels de déverglaçage à la teneur en alcalis du béton doit être prise en compte ⁽¹¹⁾.

Inspirée par [11], une nouvelle méthode de contrôle du risque de RAS a été introduite dans le supplément national à la norme européenne pour le béton en Belgique en 2018. Dans le supplément national le plus récent ⁽¹²⁾, qui n’est pas encore applicable aux produits préfabriqués en béton, cette méthode a été davantage développée. D’une part, les coûts économiques et sociaux causés par les dommages survenus sont traduits en niveaux de prévention des RAS (PREV, voir tableau 2). D’autre part, la gravité de l’exposition est classée en catégories d’exposition aux RAS (AR, voir tableau 3), qui sont étroitement liées aux classes d’environnement ou d’exposition. En fonction de ces deux catégories, l’une des mesures suivantes doit être prise (voir tableau 4) :

–  Mesure 1 : l’utilisation de granulats faisant l’objet d’une déclaration de non-réactivité attestée ;

–  Mesure 2 : l’utilisation de ciment LA sans mise en forme d’un bilan alcalin ;

–  Mesure 3 : limiter la teneur en alcalis du béton (bilan alcalin) ;

–  Mesure 4 : la réalisation d’essais de gonflement confirmant la résistance du béton à la RAS.

La mesure 1 met l’accent sur une déclaration attestée. Toutefois, il n’y a pas beaucoup de granulats sur le marché pour lesquels une telle déclaration est disponible. Certaines conditions sont liées à l’utilisation du ciment LA dans la mesure 2. Par exemple, le mélange de ciments n’est pas autorisé, un seul additif de type II peut être utilisé (maximum 50 kg/m³), les teneurs en ciment sont limitées et l’utilisation de granulats artificiels n’est pas autorisée. Pour la mesure 3, la teneur en alcalis des constituants qui peut être appliquée (valeurs attestées ou forfaitaires) et les limites valables en cas d’utilisation de ciments, combinés ou non à d’autres ciments, et en cas d’utilisation de cendres volantes ou de laitier moulu de haut fourneau en tant qu’adjuvants de type II sont définies. Pour ces additifs, la teneur en alcalis solubles disponible pour participer à la RAS est nettement inférieure à la teneur en alcalis total. Ceci est pris en compte en multipliant l’équivalent Na₂O total de ces additifs par un facteur de correction de 0,17. À titre d’illustration, le tableau 5 présente les limites d’équilibre alcalin dans le cas de l’utilisation de ciment sans additif de type II. Pour plus d’informations, voir [12]. Pour réaliser les essais de gonflement (mesure 4), l’essai Oberholster modifié et la norme NF P18-454 ⁽¹³⁾ peuvent être appliqués. Le premier est un test accéléré et est expliqué dans l’annexe Q de [12]. Lorsque le résultat est négatif, cela ne signifie pas nécessairement que le béton n’a pas de résistance à la RAS. Dans ce cas, une méthode d’essai plus lente, par exemple [13], doit être utilisée. Ceci est particulièrement vrai pour une composition à base de CEM I LA et de granulats potentiellement réactifs. Nonobstant les méthodes d’essai susmentionnées, la teneur réelle en alcalis des matières premières à utiliser est déterminée et chaque lot de béton est enrichi en alcalis par l’ajout de NaOH jusqu’à ce qu’au moins la teneur maximale en alcalis basée sur la mesure 3 soit atteinte. Les critères à respecter sont énumérés pour l’essai Oberholster à l’annexe Q ; pour l’essai de ralentissement [13], il faut se référer à la norme FD P18-456 ⁽¹⁴⁾. La composition du béton peut être considérée comme non réactive si les critères sont satisfaits pour 3 lots de béton séparément.

Un fabricant de produits préfabriqués structurels en béton certifiés BENOR qui souhaite déroger aux dispositions de [9] – par exemple pour établir un bilan alcalin sur la base de la mesure 3, en particulier lors de l’utilisation d’un liant autre que seulement CEM I, ou pour démontrer l’adéquation du béton sur la base de la mesure 4 – peut introduire une demande auprès de PROBETON à cet effet. Comme il s’agit d’une dérogation qui n’entre pas en conflit avec les dispositions normatives, qui sont toujours formellement applicables dans le contexte de la marque BENOR, cette demande sera généralement acceptée.

Nouveaux liants

Le béton géopolymère fait actuellement l’objet de nombreuses recherches. Il s’agit d’un béton dans lequel on n’utilise pas de ciment traditionnel comme liant, mais des matières premières activables par les alcalis, telles que, par exemple, le laitier de haut fourneau, les cendres volantes, les argiles calcinées et les pouzzolanes naturelles. Les agrégats étant exposés à des concentrations élevées d’alcalis et à un pH élevé à un stade précoce, la RAS se produit immédiatement dans les agrégats réactifs. Aucune fissure ne se produit dans le béton encore liquide en raison de la formation d’un gel. Avec le temps, la teneur en alcalis diminue et la réactivité baisse. La recherche montre que l’expansion nuisible ne peut se produire qu’avec des doses élevées d’agrégats très sensibles. Le béton géopolymère peut également être réduit en granulats à la fin de sa durée de vie. Bien que la grande majorité des alcalis ne soient pas solubles, ils doivent, comme les granulats de béton ordinaires, être considérés comme sensibles à la RAS, car il est difficile de retrouver le granulat utilisé à l’origine dans le béton ⁽¹⁵⁾. (BHE)

Références

1. Betoniek Standaard 15/02, ASR-verzekering, maart 2010.
2. To be or not to be…alkali-reactive. A challenge for the petrographic method, Fernandes et al, Conference paper, ResearchGate, February 2019.
3. Maatregelen ter preventie van Alkali-Silica Reactie (ASR)/Mesures de prévention en matière de réaction alcali-silice (RAS), FEDBETON, Steven Schaerlaekens, 2018.
4. NBN EN 13369:2004+A1:2006+AC:2006 – Common rules for precast concrete products.
5. NBN B 21-600:2009 – Common rules for precast concrete products – National supplement to NBN EN 13369:2004+A1:2006+AC:2006.
6. NBN EN 206-1:2001+A1:2004+A2:2006 – Concrete – Part 1 : Specification, performance, production and conformity.
7. NBN B 15-001:2004 – Concrete – Specification, performance, production and conformity – National supplement to NBN EN 206-1:2001.
8. CR 1901:1995 – Regional specifications and recommendations for the avoidance of damaging alkali silica reactions in concrete, CEN.
9. ATR 21-600 – Algemeen Toepassingsreglement BENOR/Règlement d’application Général BENOR, PROBETON, uitgave/édition 1, 2008.
10. Essai de granulats – Détermination des alcalins solubles dans l’eau de chaux, Méthode d’essai LPC n° 37, LCPC, février 1993.
11. CEN/TR 16349:2012 – Framework for a specification on the avoidance of a damaging Alkali-Silica Reaction (ASR) in concrete, CEN.
12. NBN B 15-001:2022 – Concrete – Specification, performance, production and conformity – National supplement to NBN EN 206:2013+A2:2021.
13. NF P18-454:2021 – Béton – Réactivité d’une formule de béton vis-à-vis de l’alcali-réaction – Essai de performance.
14. FD P18-456:2004 – Béton – Réactivité d’une formule de béton vis-à-vis de l’alcali-réaction – Critères d’interprétation des résultats de l’essai de performance.
15. Geopolymeerbeton: Hoe zit het nu?, Betoniek Vakblad, 3/2022.